硬骨植入鎂合金的研制及耐腐蝕性能分析

1、硬骨植入鎂合金的研制及耐腐蝕性能分析 摘要：現(xiàn)代社會(huì)交通的發(fā)展和診療條件的提高，因創(chuàng)傷、腫瘤或骨病等原因所致的骨缺損病例不斷上升。傳統(tǒng)的自體骨移植和異體骨移植是治療骨缺損的常用方法。然而，自體骨移植存在來(lái)源受限、影響供區(qū)功能、增加手術(shù)痛苦及易感染等缺點(diǎn)；而異體骨移植則存在難以及時(shí)獲取、可能被傳染疾病等缺點(diǎn)。研究和開發(fā)理想的替代骨移植的人工合成材料（植入材料）已成為醫(yī)學(xué)和生物材料科學(xué)的重要課題。本課題擬采用不同方法制備出良好的鎂合金硬骨植入材料，使其達(dá)到醫(yī)學(xué)使用要求。一、目的：利用真空熔煉設(shè)備制備出鎂合金硬骨植入材料，確定鎂合金組分最佳組分配比，測(cè)試鎂合金硬骨植入材料的力學(xué)性能和腐蝕速率。從而為

2、測(cè)試鎂合金植入材料的生物性能打下基礎(chǔ)。二、基本思路：硬骨組織植入材料的各合金元素的選擇，合金成分的設(shè)計(jì)；制備合金；合金的力學(xué)性能，照取金相、掃描、xrd相片；對(duì)合金進(jìn)行擠壓包括正擠壓和往復(fù)擠壓，并測(cè)試其力學(xué)性能，照取金相、掃描、xrd相片；將合金放入生理鹽水和模擬人體液中測(cè)試的腐蝕速率；最后綜合分析各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論。三、作為生物材料應(yīng)用，必須嚴(yán)格滿足一些典型的生物學(xué)要求。包括：（1）良好的組織相容性，無(wú)毒性，不致畸致癌，不引起過(guò)敏反應(yīng)、干擾機(jī)體的免疫，不破壞周圍組織等；（2）物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，強(qiáng)度、彈性、尺寸、耐腐蝕及耐磨性穩(wěn)定；（3）易于加工成型，能容易制成各種需要的形狀。四、目前，已經(jīng)應(yīng)

3、用于臨床的生物醫(yī)用材料及不足之處分析：已經(jīng)應(yīng)用于臨床的生物醫(yī)用材料主要包括：金屬類生物醫(yī)用材料、有機(jī)高分子類生物醫(yī)用材料、無(wú)機(jī)非金屬類生物醫(yī)用材料。 陶瓷材料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但是脆性大、無(wú)延展性、加工性差；高分子材料化學(xué)性能穩(wěn)定，可加工性好，但是力學(xué)性能不夠好。目前用于修復(fù)材料的多為不銹鋼、鈦合金和鈷合金等合金材料。但是，這些材料在使用過(guò)程中仍存在許多問題。在力學(xué)方面，這些金屬材料都有著遠(yuǎn)高于人體骨骼的強(qiáng)度和模量，使用它們對(duì)硬組織進(jìn)行修復(fù)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)。在與人體的相容性方面，這些金屬材料原本具有生物毒性，在人體中會(huì)產(chǎn)生有毒離子。長(zhǎng)期存在人體，金屬中某些元素離子進(jìn)入人體組織液、血液、器官，

4、如鉻、鎳離子對(duì)人體具有致敏作用，甚至誘導(dǎo)機(jī)體發(fā)生癌變，另外長(zhǎng)期受力的金屬還會(huì)發(fā)生金屬受力疲勞和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，從而引起遠(yuǎn)期手術(shù)的失敗等問題。上述植入材料不能降解，還要經(jīng)過(guò)二次取出，這無(wú)疑給患者加大了痛苦和費(fèi)用，因此迫切需要一種新的可降解合金材料將其取代。五、鎂合金異與其他臨床的生物醫(yī)用材料具體表現(xiàn)：鎂是人體內(nèi)僅次于鈣、鈉、鉀的常量元素。鎂參與蛋白質(zhì)的合成，鎂能激活體內(nèi)多種酶，能調(diào)節(jié)神經(jīng)肌肉和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)，保障心肌正常收縮，鎂幾乎參與人體內(nèi)所有的新陳代謝過(guò)程。鎂及鎂合金具有高的比強(qiáng)度和比剛度，最為植入材料在滿足同樣服役要求的條件下可以減小器件的體積和質(zhì)量，并且可以有效保證服役期間的力學(xué)性能

5、。它具有和人體接近的彈性模量，鎂及鎂合金的楊氏彈性模量約為45gp，接近人骨的彈性模量20gp左右，作為植入可避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)。因而用鎂及鎂合金作為骨固定材料，能夠在骨折愈合的初期提供穩(wěn)定的力學(xué)環(huán)境，逐漸而不是突然降低其應(yīng)力遮擋作用，使骨折部位承受逐步增大乃至生理水平的應(yīng)力刺激，從而加速愈合，防止局部骨質(zhì)疏松和再骨折。六、鎂合金在臨床的生物醫(yī)用材料方面的發(fā)展：早在上世紀(jì)40年代，人們已經(jīng)對(duì)鎂合金作為醫(yī)用植入材料開始研究，實(shí)驗(yàn)證明，鎂合金具有良好的相容性，但是鎂合金在人體生理環(huán)境中的腐蝕速率過(guò)快。直到90年代，經(jīng)過(guò)人們對(duì)鎂合金的不斷研究，在控制合金的耐腐蝕性能和力學(xué)性能的技術(shù)方面得到很大的提高，

6、因此，鎂及鎂合金作為骨損傷后的固定材料，具有很多優(yōu)于其他金屬生物醫(yī)用材料的性能，有希望應(yīng)用于醫(yī)用植入材料。七國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展及應(yīng)用：古代時(shí)期，人們就已經(jīng)嘗試使用外界材料來(lái)代替修補(bǔ)缺損的人體骨骼，例如使用天然象牙材料作為修復(fù)組織。近年來(lái)，隨著生物醫(yī)學(xué)工程、材料科學(xué)、納米技術(shù)、熔煉技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)于生物材料的研究也日益深入，各種復(fù)合材料以及更加與各類型骨折愈合相適應(yīng)的可降解性生物材料在骨科領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛。隨著醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)和基因工程及組織工程學(xué)的快速發(fā)展，利用不同的生物材料的復(fù)加工，組配成理想中具有多種生物活性的人工骨將成為現(xiàn)實(shí)。在骨科應(yīng)用的生物材料按其性質(zhì)主要分為，醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用高分子材料

7、和醫(yī)用無(wú)機(jī)非金屬材料等，現(xiàn)就其應(yīng)用綜述如下：1金屬合金類金屬作為一種植入材料一般要求是：有足夠的力學(xué)強(qiáng)度和抗疲勞性能；有極好的耐腐蝕性能，無(wú)磁性；材料必須無(wú)毒、無(wú)致癌性與過(guò)敏反應(yīng)；應(yīng)具有良好的光潔度1。現(xiàn)在常用于臨床的醫(yī)用生物金屬材料主要包括醫(yī)用不銹鋼、鈷基合金、醫(yī)用形狀記憶合金等。1.1醫(yī)用不銹鋼：不銹鋼由于具有力學(xué)性能良好，是最早的被用作于人體硬骨植入材料。其中最好的不銹鋼合金是316l型，一直作為生物硬骨植入材料廣泛使用。具有較好的機(jī)械性質(zhì)，易于加工制造且價(jià)格便宜，主要用于接骨板、骨螺釘、人工關(guān)節(jié)等。經(jīng)過(guò)臨床試驗(yàn)證明，316l型植入人體后一段時(shí)間后，在人體復(fù)雜的生理環(huán)境中，會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕

8、或摩擦腐蝕以及疲勞腐蝕破裂等問題存在，并且會(huì)因摩擦磨損等原因釋放出ni2+、cr2+ 、cr2+ ，從而引起假肢松動(dòng)，最終導(dǎo)致植入失敗。1.2合金類：主要包括鈷基合金：鈷基合金具有良好的耐磨性和抗蝕性，適于長(zhǎng)期應(yīng)用于體內(nèi)承載條件苛刻的植入，是目前醫(yī)用金屬材料中最優(yōu)良的材料之一，已列入iso國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但缺點(diǎn)是機(jī)械性能低于不銹鋼，而且加工困難、產(chǎn)量低、價(jià)格貴，常被選擇為永久性植入材料。多用于骨折固定和制作人工關(guān)節(jié)。鈦合金：具有優(yōu)于前兩種材料的機(jī)械性能，質(zhì)輕，組織相容性良好，生物界面結(jié)合牢固，在機(jī)體內(nèi)有極高的惰性和抗腐蝕性，是理想的植入材料，缺點(diǎn)是耐磨損性差和難以加工。鈦合金微型鋼是頜骨骨折復(fù)位內(nèi)固

9、定的首選內(nèi)固定物2，目前對(duì)膝、髖等大的人工關(guān)節(jié)多使用鈦合金。如鈷、鎳、鉻及鉬合金，是通過(guò)多步驟精制而成的一種新型植入材料。其抗腐蝕性和生物相容性與鍛造的鈷鉻合金相似，機(jī)械強(qiáng)度大，具有不銹鋼和鈷鉻合金的許多優(yōu)點(diǎn)，作為骨折內(nèi)固定物有廣闊的應(yīng)用前景。鎳鈦記憶合金：該材料有形狀記憶效應(yīng)，其理化性能表現(xiàn)為強(qiáng)度高，耐磨、耐腐蝕、無(wú)磁、無(wú)毒等特點(diǎn)，而且其硬度和剛度跟人體骨組織最接近，被認(rèn)為是最理想的生物內(nèi)固定植入材料。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的臨床試驗(yàn)，這些金屬材料普遍存在很多缺點(diǎn)。植入人體后，長(zhǎng)時(shí)間存在于人體，金屬中某些元素離子進(jìn)入人體組織液，血液、器官，如鉻、鎳離子對(duì)人體具有致敏作用，甚至誘導(dǎo)機(jī)體發(fā)生癌變，另外長(zhǎng)期受力

10、的金屬還會(huì)發(fā)生金屬受力疲勞和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，從而引起遠(yuǎn)期手術(shù)的失敗等問題。2醫(yī)用高分子材料 2.1非生物降解型高分子材料，如聚乙烯、聚丙烯等，具有穩(wěn)定性好，不發(fā)生降解，交聯(lián)或物理磨損等，而且有良好的機(jī)械性能，對(duì)機(jī)體不產(chǎn)生明顯毒副作用，主要用于制作組織工程軟、硬組織，人工器官等。如硅橡膠是含有硅原子的特種合成橡膠的總稱，無(wú)毒、無(wú)味、通氣性能好，能耐高溫低溫，具有良好的生理惰性和抗凝血性能，有彈性，宜清洗、滅菌，在骨外科可作引流管、人工腱鞘等。利用輻射接枝改性技術(shù)可制成醫(yī)用硅橡膠水凝膠膜，該材料具有高純度、親水性、吸水后形成穩(wěn)定的水凝膠及生物相容性優(yōu)良等特點(diǎn)。在治療骨關(guān)節(jié)損傷疾患和肌腱斷裂手術(shù)中植

11、入該膜，可預(yù)防組織粘連4。高密度聚乙烯：其用于制造人工髖臼的分子量多在200500萬(wàn)左右，其摩擦系數(shù)低，約為0.030.06，抗沖擊性強(qiáng)，耐磨性強(qiáng)，年磨損率約為0.10.2mm，是目前國(guó)際上普遍用于制造人工關(guān)節(jié)的較好材料。非降解型的高分子材料大多數(shù)不具有生物活性,與組織不易牢固結(jié)合，在生物環(huán)境中能被降解導(dǎo)致毒性、過(guò)敏性甚至致癌，并且剛性不足，。2.2生物降解型高分析材料有聚酯類、膠原、甲殼素、纖維素等，最主要的是聚乙交酯(pga)、聚丙交酯(pla)及其混聚物，其中聚酯類是一類親水性十分強(qiáng)的高分子降解材料。聚酯類能在體內(nèi)環(huán)境中降解，最終被分解代謝成co2和h2o2從人體排出。pla具有一定機(jī)械

12、強(qiáng)度和良好的加工性能。pga可作為支架誘導(dǎo)、促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附增殖和分化，但其降解過(guò)快，降解產(chǎn)物積聚會(huì)造成局部ph值下降，導(dǎo)致細(xì)胞中毒死亡。pga與pla形成的混聚物可通過(guò)二者的比例來(lái)調(diào)節(jié)其機(jī)械強(qiáng)度和降解速率。聚酯類生物降解材料可以制成棒、針、螺釘、接骨板等，由于降解速率過(guò)快，難以控制，在愈合期間固定部分不能承受較大的應(yīng)力。臨床上多用于固定骨折愈合時(shí)間相對(duì)較快的骨骼，亦可用于關(guān)節(jié)鏡下膝前十字韌帶的損傷后重建、半月板損傷的修復(fù)，在骨組織工程學(xué)領(lǐng)域也是一種很有前景的細(xì)胞培養(yǎng)支架材料6 ，但不適于長(zhǎng)骨干骨折固定，因其臨床愈合所需時(shí)間較長(zhǎng)，骨折斷端應(yīng)力大。生物降解材料作為內(nèi)固定材料，在手術(shù)操作過(guò)程中不

13、易割傷軟組織，即使在加壓情況下也不會(huì)損傷松質(zhì)骨7，在所固定的組織愈合之前能夠保持足夠的強(qiáng)度，可隨著骨組織的愈合機(jī)械強(qiáng)度適當(dāng)衰減，使骨折斷端得到正常的應(yīng)力刺激，沒有金屬材料存在的應(yīng)力遮擋、腐蝕反應(yīng)等缺點(diǎn)，可使患者避免清除植入物的第2次手術(shù)，亦不影響mr（血栓檢測(cè)儀）或ct等影像學(xué)復(fù)查，使用起來(lái)比金屬制品要安全和方便。但如果內(nèi)植物的降解產(chǎn)物超過(guò)組織的清除能力，可發(fā)生遲發(fā)性無(wú)菌性炎癥，局部突然發(fā)紅、疼痛、腫脹、有波動(dòng)感，反應(yīng)嚴(yán)重者，可發(fā)生廣泛性皮膚壞死8 ，降解速度快的pca比降解速度慢的pia炎癥發(fā)生率高，血液循環(huán)不佳的部位更易并發(fā)炎癥反應(yīng)9 。因此在硬組織修復(fù)中應(yīng)用生物降解型的高分子生物材料易降

14、解，降解產(chǎn)物經(jīng)代謝排出體外，對(duì)組織生長(zhǎng)無(wú)影響作用已成為醫(yī)用高分子材料發(fā)展的重要研究方向。降解產(chǎn)物的生物學(xué)影響和生物吸收能力的研究是近期研究的主要問題10 高分子材料的主要缺點(diǎn)是抗腐蝕、 抗老化性能較差， 并且由于高純度聚合物的制備十分困難，植入人體的材料常有單體釋放和其他降解產(chǎn)物生成，很可能會(huì)導(dǎo)致毒性和致癌反應(yīng)。3醫(yī)用無(wú)機(jī)非金屬材料 3.1生物活性陶瓷，主要有磷酸鈣陶瓷、生物活性骨水泥及生物活性玻璃等，生物活性陶瓷具有骨傳導(dǎo)性，它作為一個(gè)支架，成骨在其表面進(jìn)行，還可作為多種物質(zhì)的外殼或填充骨缺損。目前最常用的主要有羥基磷灰石(ha)、磷酸三鈣(tcp)及兩者結(jié)合使用3種。ha與tcp的復(fù)合物既

15、保存了單純ha的優(yōu)點(diǎn)，又可根據(jù)需要通過(guò)調(diào)整兩者的復(fù)合比例來(lái)控制其植入后的降解速度，是較理想且具有較大臨床應(yīng)用前景的骨組織工程細(xì)胞載體。骨水泥很少引起免疫反應(yīng)，系統(tǒng)毒性也微不足道，具有良好的生物相容性，并能和骨直接融合，在骨科臨床上已經(jīng)應(yīng)用于股骨頸骨折的內(nèi)固定增強(qiáng)和橈骨遠(yuǎn)端骨折內(nèi)固定等。由于此類材料在生物學(xué)上缺乏有效的骨誘導(dǎo)性，脆性較大，抗張、抗扭屈和抗剪力差，為保證固化正常進(jìn)行，應(yīng)用時(shí)要求受區(qū)相對(duì)干燥，因此單純此類材料臨床應(yīng)用較少，仍需進(jìn)一步改進(jìn)。3.2生物惰性陶瓷 氧化鋁：氧化鋁是一種生物陶瓷，其硬度大，耐磨，生物相容性好，植入人體后表面生成極薄的纖維膜，界面無(wú)學(xué)反應(yīng)，多用于全臀復(fù)位修復(fù)術(shù)及

16、股骨和髖骨部連接。單晶氧化鋁強(qiáng)度很高，耐磨性好可精細(xì)加工，用于人工牙齒、骨折內(nèi)固定。多晶氧化鋁即剛玉強(qiáng)度大，可制作人工關(guān)節(jié)、人工骨、人工牙等。研究發(fā)現(xiàn)將氧化鋁晶體納米化合物團(tuán)塊浸在與生物體液相似的溶液中，其表面可生成骨樣磷灰石層，在活體內(nèi)可能形成生物陶瓷如hap、磷酸三鈣(tcp)等12。此外還有氧化鋯陶瓷被做成人工股骨頭用于全髖關(guān)節(jié)置換。部分穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鋁一樣，生物相溶性良好，在人體內(nèi)穩(wěn)定性高，且比氧化鋁斷裂韌性，耐磨性更高，有利減少植入物尺寸和實(shí)現(xiàn)低摩擦，磨損，用以制造牙根，骨，股關(guān)節(jié)，復(fù)合陶瓷人工骨，瓣膜等。上海的科學(xué)家還研制成功了等離子噴涂氧化鋯人工骨與關(guān)節(jié)陶瓷涂層材料，并獲得了

17、國(guó)家發(fā)明.最近還報(bào)道研制出一種結(jié)合了氧化鋁的生物特性及氧化鋯的機(jī)械特性的新型物質(zhì)，這種混合陶瓷比氧化鋁陶瓷的磨損率低，在模擬人骨上進(jìn)行的初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的應(yīng)用前景11。3.3碳素材料：生物碳素材料以優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、減摩耐磨性和茛好的生物相容性被廣泛的用作為生物醫(yī)用材料。碳纖維有利于生物組織攀附生長(zhǎng)，可用于人工肌腱和韌帶的置換12 。低溫裂解碳又稱各向同性碳，是將烴類氣體在高溫下炭化，可以直接蒸鍍?cè)谌斯りP(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)磨損表面，作為減磨涂層。類金剛石膜(dlc)亦稱金剛石樣碳素膜，是一種非結(jié)晶的碳?xì)浠衔?，具有良好的?xì)胞相容性、血液相容性及高耐磨性高硬度等特點(diǎn)，可以沉積于人工關(guān)節(jié)表面。作為聚乙烯

18、的對(duì)抗面，dlc同氧化鋁、鈷基合金的耐磨相當(dāng)，可顯著改善矯形裝置的磨損。是一種很有發(fā)展前景的膜材料。醫(yī)用無(wú)機(jī)非材料通過(guò)多年的探索研究，仍存在很多問題需要解決：（1）提高生物陶瓷材料的強(qiáng)度和改善韌性，發(fā)現(xiàn)把ca-p陶瓷材料中的晶粒做到納米數(shù)量級(jí)，強(qiáng)度和韌性比常規(guī)教十微米以上晶粒的ca-p陶瓷大大提高。(2)深入研究種植體與骨界面的作用過(guò)程以及種植體與骨和軟組織結(jié)合的機(jī)理，這對(duì)了解腐蝕，疲勞過(guò)程，摸索預(yù)防和控制的途徑有重要意義。開展人工骨應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究，建立和完善材料綜合評(píng)判系統(tǒng)，以尋求在實(shí)驗(yàn)室條件下預(yù)測(cè)種植入體變化和壽命的方法，為建立生物醫(yī)學(xué)材料標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。(3)提高非活性材料與生物的親和作

19、用及活性材料的強(qiáng)度。參考文獻(xiàn)1胥少汀，葛寶豐，徐印坎實(shí)用骨科學(xué)第2版北京：人民軍醫(yī)出版社，2003357-3602曾紹先醫(yī)用生物陶瓷及臨床應(yīng)用化學(xué)進(jìn)展，9(1)：9098，19973 李青鈦合金表面涂層應(yīng)用生物骨的研究生物骨科材料與臨床研究，2004，3(4)：46-494方月娥，史天義，梅寶珊，等硅橡膠水凝膠膜預(yù)防骨外科手術(shù)組織粘連的臨床應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，1998，15(3)：2282305 valentinje,badylakjs,mccabegp,etalextracellarmatrixbioscaffoldsfororthopaedicapplications.acomparativehistologicstudyj.jbonejointsurgam,006，88(12)：6jeono.songsj.kangswenhancementofectopicboneformationbybonemorphogeneticprotein-2releasedfromaheparin-conjugatedpoly(l-lactic-co-glycolicaci